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摘要：介紹了一種由C51單片機(jī)控制的便攜式汽油標(biāo)號檢測儀，對該系統(tǒng)的測量原理和控制器的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明汽油檢測儀，介紹了軟件主流程結(jié)構(gòu)及其模塊化設(shè)計(jì)。通過與傳統(tǒng)油介質(zhì)檢測方法的比較，說明了該系統(tǒng)各項(xiàng)性能的優(yōu)越性及其廣泛的應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：電容 CAN總線 RTOS 面向?qū)ο? 隨著近年來我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車逐漸走入普通家庭，人們對汽油的消費(fèi)也多了起來。由于汽車發(fā)動機(jī)對汽油的指標(biāo)有嚴(yán)格的限制，使用指標(biāo)不合格的汽油會損壞發(fā)動機(jī)；于是，對汽油標(biāo)號的檢測就變得重要起來。為此，設(shè)計(jì)了一種便攜式油介質(zhì)檢測儀，用它可以實(shí)現(xiàn)對汽油標(biāo)號的實(shí)時檢測，從而滿足了市場上實(shí)際應(yīng)用的需要。 １ 測量方案的實(shí)現(xiàn) １.１ 設(shè)計(jì)原理 １.１.１ 背景知識 汽油的標(biāo)號是由其辛烷值確定的。辛烷值是測定汽油抗震性能的一種指標(biāo)，辛烷值越大，汽油的抗震性能越好。由于異辛烷的抗爆性最好，所以將它的抗爆性定為１００，也就是辛烷值為１００。其它燃料的辛烷值是通過與異辛烷比較來確定的，如９３號汽油的抗爆性是異辛烷的９３％，這種汽油的辛烷值就定為９３。 １.１.２ 模型的建立 現(xiàn)采用電容電測的方法，以電容為傳感器，以相對介電常數(shù)為相關(guān)變量，間接測定汽油辛烷值。汽油是具有電氣絕緣性能的液體混合物，粘度低、流動性好、揮發(fā)性強(qiáng)，這些特點(diǎn)為使用電容式傳感器直接測量其相對介電常數(shù)創(chuàng)造了有利條件。

由電工學(xué)知識可知，平行板間的電容為： Ｃ＝ε０%26;#183;εｒ%26;#183;Ｓ／ｂ 其中?熏ε０＝８．８５４１５%26;#215;１０－１２Ｆ／ｍ,為真空的介電常數(shù)；εｒ?yàn)橄鄬殡姵?shù)(在空氣中εｒ０≈１)。 平行板電容式傳感器在空氣中的電容為： Ｃ０＝ε０%26;#183;εｒ０%26;#183;Ｓ／ｂ 式中，Ｓ為平行板的面積；ｂ為平行板的間距。 同一傳感器在汽油中的電容為： Ｃ＝ε０%26;#183;εｒｎ%26;#183;Ｓ／ｂ 于是有： Ｃ／Ｃ０＝εｒｎ%26;#183;εｒ０≈εｒｎ 所以，汽油的相對介電常數(shù)εｒｎ約等于同一傳感器以汽油為介質(zhì)時的電容值Ｃ與以空氣為介質(zhì)的電容值Ｃ０之比。對同一品質(zhì)的汽油，該比值為一常數(shù)。于是，可以通過測定浸入待測油品中的電容傳感器的電容值Ｃ來得到待測汽油的相對介電常數(shù)εｒｎ。圖2 電路原理圖通過大量實(shí)測數(shù)據(jù)，得出汽油的辛烷值Ｙｎ與其相對介電常數(shù)εｒｎ之間存在著函數(shù)關(guān)系，即： Ｙｎ＝Ｙ０－ｋ%26;#183;εｒｎ 其中，ｋ為斜率參數(shù)；Ｙ０為截距參數(shù)。 這些參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際環(huán)境在現(xiàn)場由試驗(yàn)標(biāo)定設(shè)置。 １．２ 硬件設(shè)計(jì) 本裝置的測量原理框圖如圖１所示。 這里選用了ＭＡＸ０３８高頻精密波形發(fā)生器作為整個電路的核心器件汽油檢測儀，產(chǎn)生高頻方波。ＭＡＸ０３８的工作頻率范圍為０．１Ｈｚ～２０ＭＨｚ；輸出波形可以是三角波、正弦波、鋸齒波、方波和脈沖波；頻率和占空比獨(dú)立調(diào)節(jié)；占空比可變（１５％～８５％）；具有低阻抗（０．１Ω）輸出緩沖器和低失真（０．７５％）正弦波。 ＭＡＸ０３８的工作電壓為%26;#177;５Ｖ，其基本振蕩器是一種通過恒定電流對電容Ｃ進(jìn)行交替充放電的張弛振蕩器，同時產(chǎn)生三角波和方波。充放電電流由流入引腳ＩＩＮ的電流來控制，由施加在引腳ＦＡＤＪ和引腳ＤＡＤＪ的電壓來調(diào)節(jié)。

輸出波形的占空比可以通過對引腳ＤＡＤＪ施加電壓來控制。在正常情況下，ＶＤＡＤＪ＝０Ｖ，占空比為５０％。ＶＤＡＤＪ從＋２．３Ｖ變到－２．３Ｖ時，占空比從１５％變?yōu)椋福担?，大概每伏特變化１５％。?dāng)ＶＤＡＤＪ超過%26;#177;２．３Ｖ時，將使頻率漂移，并引起不穩(wěn)定。調(diào)節(jié)引腳ＤＡＤＪ上的電壓可以減少正弦波的失真。未調(diào)整時（ＶＤＡＤＪ＝０Ｖ）的占空比為５０％%26;#177;２％，若對ＶＤＡＤＪ加一個小的調(diào)整電壓（不大于１００ｍＶ），則可以使波形準(zhǔn)確對稱，并使失真減到最小。 ＭＡＸ０３８的輸出頻率由輸入ＩＩＮ引腳的電流、ＣＯＳＣ引腳電容和ＦＡＤＪ引腳上的電壓決定。當(dāng)ＶＦＡＤＪ＝０Ｖ時，輸出頻率Ｆ０＝ＩＩＩＮ／Ｃ，則周期Ｔ０＝Ｃ／ＩＩＩＮ。其中，ＩＩＩＮ為輸入ＩＩＮ引腳的電流（２μＡ～７５０μＡ），Ｃ為ＣＯＳＣ所接的電容（１０ｐＦ～２００ｐＦ）。當(dāng)１０μＡ≤ＩＩＩＮ≤４００μＡ?xí)r，ＭＡＸ０３８達(dá)到最佳工作性能。

所以，當(dāng)需要固定頻率時，取ＩＩＩＮ為１００μＡ。電容必須用短引線，盡量減小分布電容的影響。在ＣＯＳＣ引腳及其引線周圍用一個接地平面來減小其它雜散信號的耦合。 由于ＭＡＸ０３８產(chǎn)生的是高頻信號，很難直接進(jìn)行計(jì)數(shù)和相應(yīng)的計(jì)算，所以必須對ＭＡＸ０３８的輸出信號進(jìn)行分頻。在這里，選用了兩片７３ＨＣ３９３進(jìn)行分頻，從而得到便于處理的方波信號。 具體電路如圖２所示。 １．３ 軟件設(shè)計(jì) 普通的單片機(jī)軟件都是采用一種前后臺的編程方式，后臺采用死循環(huán)輪詢的方式，前臺處于等待中斷的狀態(tài)，一旦中斷發(fā)生就會打斷后臺的輪詢。這種方式將各種情況的處理混雜在一起汽油檢測儀，使得軟件的復(fù)雜度大大增加，編寫和維護(hù)都很困難，而且任何一個部分出了問題，整個系統(tǒng)就會處于死機(jī)狀態(tài)。為此選擇在ＲＴＯＳ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）基礎(chǔ)上構(gòu)建系統(tǒng)的軟件。ＲＴＯＳ的特點(diǎn)就是多任務(wù)，可以許多個任務(wù)同時存在，根據(jù)一定的調(diào)度規(guī)則，進(jìn)行任務(wù)切換。多任務(wù)使得ＣＰＵ的利用率達(dá)到了最大，并且使軟件最大程度地模塊化，便于編寫。 系統(tǒng)軟件可分為兩大模塊：ＣＰＵ模塊和ＬＣＤ模塊。 ＣＰＵ模塊包含以下任務(wù)： (１)ＣＡＮ管理任務(wù)，負(fù)責(zé)ＣＰＵ和ＬＣＤ板的通信，可以發(fā)送／接收一個Ｍｏｄｂｕｓ的數(shù)據(jù)包。

(２)２３２管理任務(wù)，負(fù)責(zé)ＣＰＵ和上位機(jī)的通信，可以發(fā)送／接收一個Ｍｏｄｂｕｓ的數(shù)據(jù)包。 (３)ＣＡＮ中斷任務(wù)，負(fù)責(zé)發(fā)送或接收一個ＣＡＮ幀。 (４)２３２中斷任務(wù)，負(fù)責(zé)發(fā)送或接收一個２３２幀。 (５)Ｍｏｄｂｕｓ任務(wù)，可以執(zhí)行以下操作。 ①接收一個２３２／ＣＡＮ的數(shù)據(jù)包。 ②發(fā)送一個２３２／ＣＡＮ的響應(yīng)數(shù)據(jù)包有毒氣體報(bào)警器，等待２３２／ＣＡＮ的發(fā)送狀態(tài)返回信息。 ③分析接收到的２３２／ＣＡＮ數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容，對實(shí)時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作，或者搜索操作。 (６)Ｉ／Ｏ時鐘任務(wù)，定時執(zhí)行以下操作（兩次刷新間隔５００ｍｓ）： ①讀取外界模擬量，并寫到實(shí)時數(shù)據(jù)庫。 ②讀取外界開關(guān)量，并寫到實(shí)時數(shù)據(jù)庫。 ③讀取實(shí)時數(shù)據(jù)庫，并輸出開關(guān)量和模擬量。 ④調(diào)整系統(tǒng)的時間。刷新系統(tǒng)的時候要求獨(dú)占ＣＰＵ。 (７)時間任務(wù)，定時刷新看門狗（兩次刷新間隔５００ｍｓ）。 (８)打印任務(wù)，接收信箱中的要求，進(jìn)行打印，每次打印一個字符（兩個字符間隔１００ｍｓ）。 (９)存盤任務(wù)，接收信箱中的要求，進(jìn)行存盤，每次存儲一個內(nèi)存塊，獨(dú)占ＣＰＵ（兩個內(nèi)存塊間隔１００ｍｓ）。 （１０）自動檢測任務(wù)，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)執(zhí)行自動檢測控制邏輯，調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)庫汽油檢測儀，達(dá)到控制所有Ｉ／Ｏ的目的（兩次調(diào)節(jié)相差１ｓ）。

ＥＣＰＵ板信號流程如圖３所示。 ＬＣＤ模塊包含以下任務(wù)： (１)ＣＡＮ中斷處理任務(wù)，負(fù)責(zé)接收發(fā)送一個ＣＡＮ幀。 (２)ＣＡＮ管理任務(wù)，負(fù)責(zé)發(fā)送接收一個Ｍｏｄｂｕｓ數(shù)據(jù)包，同時負(fù)責(zé)ＬＣＤ與ＣＰＵ的通信。 (３)Ｍｏｄｂｕｓ任務(wù)，負(fù)責(zé)Ｍｏｄｂｕｓ命令與需求間的解釋。 (４)刷新任務(wù)（間隔５００ｍｓ），負(fù)責(zé)從ＣＰＵ板上的數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，刷新ＲＡＭ區(qū)中的ＬＣＤ動態(tài)信息，然后刷新ＬＣＤ。 (５)鍵盤任務(wù)，它可以執(zhí)行以下內(nèi)容（間隔３００ｍｓ）： ①分析鍵盤捕獲的按鍵，改變ＲＡＭ區(qū)中的ＬＣＤ控制信息。 ②分析鍵盤捕獲的按鍵，根據(jù)ＲＡＭ區(qū)中的ＬＣＤ控制信息，從ＣＰＵ上讀取動態(tài)信息。 ③分析鍵盤捕獲的按鍵，根據(jù)ＲＡＭ區(qū)中的ＬＣＤ控制信息，刷新ＣＰＵ上的動態(tài)信息。 ④刷新ＬＣＤ。 ＥＬＣＤ板信號流程如圖４所示。 ２ 主要性能指標(biāo) 該系統(tǒng)測量電容范圍在１０ｐＦ～２００ｐＦ之間，測量誤差小于５％，一次測量周期小于１０分鐘，使用快捷方便。為了消除溫度、濕度、寄生電容的影響，保證測量的精度，仍需采取恒溫、防潮、屏蔽和接地等措施。必要時，還可以考慮采取雙屏蔽，從而實(shí)現(xiàn)等電位傳輸技術(shù)。 本裝置不僅適用于無鉛汽油和含鉛汽油，同時也適用于其它多種油介質(zhì)的檢測，并可以進(jìn)一步應(yīng)用到其它非油介質(zhì)的絕緣材料的檢測中。

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